(57)【要約】【課題】半田の量を減少させることなく、溢れた半田の脱落を防止することのできる半導体レーザモジュールの組み立て方法及び組み立て装置を提供する。【解決手段】ダイボンダ８を加熱し、一定時間経過してキャリア６と電子冷却器３との境界部１７から半田塊１６ａが溢れ出た後に、ノズル１１を境界部１７に沿って吸引部１１ｂ側の方向に移動させることによって半田塊１６ａを除去する。これによって、境界部１７は全周にわたってノズル１１で走査されることとなるので、半田塊１６ａは、境界部１７のどの位置から溢れ出ても確実に除去される。半田塊１６ａを除去後、ダイボンダ８の温度を下げることにより半田１６が凝固され、キャリア６と電子冷却器３とが固定される。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が実装されるキャリアと、前記キャリアの裏面に半田により固定され、前記キャリアを介して前記半導体素子を冷却または加熱する電子冷却器と、前記キャリア及び前記電子冷却器を収容するパッケージとを備える半導体レーザモジュールの組み立て方法において、
前記半田を吸引するための吸引部が設けられたノズルを準備する工程と、
前記キャリアと前記電子冷却器との間に前記半田を介在させ、前記電子冷却器に対して前記キャリアを位置決めする工程と、
前記半田を溶融させる工程と、
前記キャリアと前記電子冷却器との境界部に前記ノズルを近接させた状態で、前記吸引部が前記境界部に沿うように前記ノズルを移動させ、前記境界部から溢れた前記半田を前記ノズルにより吸い取る工程とを含むことを特徴とする半導体レーザモジュールの組み立て方法。
【請求項２】
前記境界部から溢れた前記半田を前記ノズルにより吸い取った後、前記電子冷却器を前記パッケージに固定する工程を更に含むことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザモジュールの組み立て方法。
【請求項３】
半導体素子が実装されるキャリアと、前記キャリアの裏面に半田により固定され、前記キャリアを介して前記半導体素子を冷却または加熱する電子冷却器と、前記キャリア及び前記電子冷却器を収容するパッケージとを備える半導体レーザモジュールの組み立て装置において、
前記キャリアを前記電子冷却器に対して位置決めする位置決め手段と、
前記キャリアと前記電子冷却器との間に介在された前記半田を溶融させる加熱手段と、
前記半田を吸い取るノズルと、
前記ノズルを３軸方向に移動させる駆動手段と、を備え、
前記ノズルには、前記半田を吸引する吸引部が設けられていることを特徴とする半導体レーザモジュールの組み立て装置。
【請求項４】
前記吸引部には、前記キャリアの角をなぞる切り欠きが設けられていることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザモジュールの組み立て装置。
【請求項５】
前記吸引部には、１対のブレードが対向して設けられていることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザモジュールの組み立て装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を照射する半導体レーザモジュールの組み立て方法及び組み立て装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体レーザモジュールとして、半導体素子が実装されるキャリアと、キャリアの裏面に半田により固定され、キャリアを介して半導体素子を冷却または加熱する電子冷却器と、キャリア及び電子冷却器を収容するパッケージとを備えるものが知られている。（例えば、特許文献１参照）。このような半導体レーザモジュールは、電子冷却器を安定してキャリアを冷却または加熱するため、電子冷却器とキャリアが接合する面は、それぞれ同一の面積とされていることが望ましい。そして組み立て方法としては、パッケージに電子冷却器を固定した後、電子冷却器とキャリアとの接合面に半田を介在させ、溶融させることにより電子冷却器とキャリアとを固定している。
【特許文献１】特開平５−６７８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、電子冷却器とキャリアの接合面の面積が同一であると、電子冷却器とキャリアの間の境界部から半田が溢れ、表面張力によりボール状となって固まり、脱落し、半導体素子や配線等を傷つける可能性があった。そのため、上述した半導体レーザモジュールの組み立て方法においては、半田の量を減少させることにより半田の溢れを防止していたが、その反面、接合強度が十分確保されず、更に、熱抵抗の拡大による温度制御性が劣化する（消費電流及び消費電力量の増大）などの問題があった。
【０００４】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、半田の量を減少させることなく、溢れた半田の脱落を防止することのできる半導体レーザモジュールの組み立て方法及び組み立て装置を提供することを目標とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、半導体素子が実装されるキャリアと、前記キャリアの裏面に半田により固定され、前記キャリアを介して前記半導体素子を冷却または加熱する電子冷却器と、前記キャリア及び前記電子冷却器を収容するパッケージとを備える半導体レーザモジュールの組み立て方法において、前記半田を吸引するための吸引部が設けられたノズルを準備する工程と、前記キャリアと前記電子冷却器との間に前記半田を介在させ、前記電子冷却器に対して前記キャリアを位置決めする工程と、前記半田を溶融させる工程と、前記キャリアと前記電子冷却器との境界部に前記ノズルを近接させた状態で、前記吸引部が前記境界部に沿うように前記ノズルを移動させ、前記境界部から溢れた前記半田を前記ノズルにより吸い取る工程とを含むことを特徴とする。
【０００６】
この半導体レーザモジュールの組み立て方法では、キャリアと電子冷却器との間に半田を十分に介在させると共に、電子冷却器に対するキャリアの位置決めを行った状態で、半田を加熱させ溶融させると、溶融した半田はキャリアと電子冷却器との間の境界部のいずれかの位置から溢れ出ることがある。この場合には、ノズルの先端をキャリアと電子冷却器との境界部に近接させ、その状態で、吸引部が境界部に沿うようにノズルを吸引部側に対して移動させる。このとき、ノズルの吸引部は半田を吸引するため、キャリアと電子冷却器との境界部のどこの位置から半田が溢れ出ても、半田は確実に吸引部に吸引される。そして、半田はどこからも溢れ出ていない状態で凝固され、キャリアと電子冷却器とが固定される。このようにして、半田の量を減少させることなく、溢れた半田の脱落を防止することが可能となる。
【０００７】
また、前記境界部から溢れた前記半田を前記ノズルにより吸い取った後、前記電子冷却器を前記パッケージに固定する工程を更に含むことが好ましい。この半導体レーザモジュールの組み立て方法によれば、キャリアと電子冷却器との固定作業及び半田の除去作業を、パッケージの外で行うことができる。そのため、ノズルが入らないような小さいパッケージを用いる場合でも、ノズルを用いて確実に半田を除去することが可能となり、これによって溢れた半田の脱落を防止することができる。
【０００８】
また、本発明は、半導体素子が実装されるキャリアと、キャリアの裏面に半田により固定され、キャリアを介して半導体素子を冷却または加熱する電子冷却器と、キャリア及び電子冷却器を収容するパッケージとを備える半導体レーザモジュールの組み立て装置において、キャリアを電子冷却器に対して位置決めする位置決め手段と、キャリアと電子冷却器との間に介在された半田を融解させる加熱手段と、半田を吸い取るノズルと、ノズルを３軸方向に移動させる駆動手段とを備え、ノズルには、半田を吸引する吸引部が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
このような組み立て装置によれば、位置決め手段、加熱手段、ノズル及び駆動手段が設けられているので、先に述べた組み立て方法を良好に実現することができる。
【００１０】
また、吸引部には、キャリアの角をなぞる切り欠きが設けられていることが好ましい。このようなノズルによれば、切り欠きという簡単な構造でありながら、ノズルの側方から半田を確実に除去することが可能になる。
【００１１】
また、吸引部には、１対のブレードが対向して設けられていてもよい。このようなノズルによれば、ブレードと接触した半田は、毛細現象によってノズル内へ入り込むため、ノズルの側方から半田を確実に、かつスムーズに除去することが可能になる。
【発明の効果】
【００１２】
このように、本発明によれば、半田の量を減少させることなく、溢れた半田の脱落を防止することができる。これによって、半導体レーザモジュールのパッケージ内の半導体素子や配線等の傷つきを防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る半導体レーザモジュールの組み立て方法及び組み立て装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
本発明に係る組み立て方法の一実施形態によって組み立てられる半導体レーザモジュール１は、図１及び図２に示すように、箱状のパッケージ２を有し、このパッケージ２内には、電極３ａ，３ｂを有する電子冷却器３が設けられている。その電子冷却器３の上にはキャリア６が設けられ、このキャリア６の上面には半導体素子４が実装されている。
【００１５】
パッケージ２は、セラミック層が積層されることにより形成される積層セラミック部２ｃを有し、その積層セラミック部２ｃ上には電極２ａ，２ｂが設けられている。電極２ａ，２ｂは、電子冷却器３に設けられた電極３ａ，３ｂとそれぞれ電気的に接続される。また、パッケージ２は実装板２ｄを有し、この実装板２ｄ上に電子冷却器３が半田により固定されている。また、キャリア６は、電子冷却器３と半田により固定されている。
【００１６】
電子冷却器３は、下基盤３ｃと、複数のＰ型ペルチェ素子及びＮ型ペルチェからなるペルチェ素子群３ｄと、上基盤３ｅとから構成されている。そして、半導体素子４は、キャリア６を介して電子冷却器３により冷却あるいは加熱される。半導体素子４の設定温度より半導体素子４周辺の気温が高い場合、電子冷却器３は上基盤３ｅから下基盤３ｃへ熱を移動させ、下基板３ｃからパッケージ２の底板を介してパッケージ２の外部へ放熱させることにより、半導体素子４をキャリア６ごと冷却する。また、半導体素子４の設定温度より半導体素子４周辺の気温が低い場合は下基盤３ｃから上基盤３ｅへ熱を移動させることにより、半導体素子４をキャリア６ごと加熱する。
【００１７】
このような熱の移動を効率よく行うためには、キャリア６と電子冷却器３が接触する面、つまりキャリア６の裏面と上基盤３ｅの上面とは、それぞれ同一面積（サイズ）または近いサイズであることが望ましい。
【００１８】
このような半導体レーザモジュール１を組み立てるための組み立て装置１００は、図３及び図４に示すように、キャリア６と電子冷却器３との間に介在された半田１６を加熱するダイボンダ（加熱手段）８と、キャリア６を電子冷却器３に対して位置決めし、吸着固定するコレット（位置決め手段）９と、キャリア６と電子冷却器３との間の境界部１７から溢れた半田を吸い取るための４つのノズル１１とを備えている。ノズル１１はいずれもダイボンダ８と水平に設けられ、その先端部１１ａはそれぞれ４方向から電子冷却器３及びキャリア６の側面に向けられている。
【００１９】
図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、ノズル１１は、半田を吸い取るための吸引穴１１ｄを有している。また、ノズル１１の先端部１１ａには切り欠きが設けられており、その切り欠きによって、半田を側方から吸引するための吸引部１１ｂが形成されると共に、吸引部１１ｂに入り込んだ半田を受けるための半田受け部１１ｃが形成される。
【００２０】
このノズル１１の吸引部１１ｂを半田に対向させた状態で、ノズル１１を半田に向かって側方へ移動させると、図６に示すように、半田は吸引部１１ｂに入り込み、吸引穴１１ｄに吸い取られることとなる。また、ノズル１１には半田受け部１１ｃが設けられているため、吸引穴１１ｄでうまく吸い取りきれなかった半田も、移動方向の後方に逃れることなく半田受け部１１ｃに保持され、その後、徐々に吸引穴１１ｄに吸い取られることとなる。このようにノズル１１に切り欠きを設けることにより、半田をノズル１１の側方から確実に吸い取ることができる。
【００２１】
コレット９は、駆動部１２により３軸方向に移動可能である。各ノズル１１は、駆動部１３により３軸方向に移動可能である。駆動部１２は、コレット９を駆動するモータと、コレット９をガイドする機構等で構成されている。駆動部１３は、ノズル１１を駆動するモータと、ノズル１１をガイドする機構等で構成されている。
【００２２】
このような組み立て装置１００は、作業中に半田が酸化することを防止するため、窒素雰囲気に保つことが好ましい。
【００２３】
次に、レーザ半導体モジュール１の組み立て方法について説明する。
【００２４】
まず、図７に示すように、組み立て装置１００のダイボンダ８上に電子冷却器３を設置する。そして、図８に示すように、電子冷却器３の上基盤３ｅの上面に半田１６を置き、その後、コレット９でキャリア６を吸引し、上基盤３ｅの上面３ｆとキャリア６の裏面６ａとがずれないように位置決めを行いながらキャリア６を電子冷却器３上に載置する。キャリア６を載置したら、半田１６が溶融した際にずれが生じないように、コレット９でキャリア６を下方向に押さえ付ける。その状態で、ダイボンダ８の温度を上昇させ、電子冷却器３全体を加熱することによって、半田１６を溶融させる。
【００２５】
溶融された半田１６は、図９に示すように、上基盤３ｅとキャリア６との間の境界部１７から溢れ出る。そして、キャリア６と上基盤３ｅとが接触する面はそれぞれ同一面積であるため、溢れた半田１６はヌレ広がることができず、表面張力によってボール状の半田塊１６ａとなって境界部１７に留まる。なお、半田塊１６ａの大きさは、上基盤３ｅに設置する半田１６の量と、コレット９がキャリア６を押さえつける力の大きさとによって一様に決まるが、例えば直径１ｍｍ以下程度である。
【００２６】
図１０に示すように、４つのノズル１１は、吸引部１１ｂがキャリア６に対して横を向いた状態でキャリア６の各側面の一端部近傍に対向するように配置されている。また、駆動部１３によりノズル１１を移動させることで、図１１に示すように、ノズル１１の先端と境界部１７との間隔Ｄは、例えば０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍとなっている。そして、ダイボンダ８を加熱し、一定時間経過して半田塊１６ａが境界部１７から溢れ出た後に、４本のノズル１１を境界部１７に沿って吸引部１１ｂ側の方向に、キャリア６の各側面の他端まで移動させることによって、境界部１７に存在する半田塊１６ａをノズル１１により吸い取って除去する。
【００２７】
このように、キャリア６と電子冷却器３との境界部１７は全周にわたってノズル１１で走査されることとなるので、半田塊１６ａは、境界部１７のどの位置から溢れ出ても確実に除去される。また、キャリア６はコレット９により押さえられているので、除去作業によるずれを防止することができる。更に、キャリア６を押さえる力は一定に保たれるので、半田塊１６ａの除去後に再び半田１６が境界部１７から溢れ出ることを防止できる。
【００２８】
ノズル１１によって半田塊１６ａが除去された後、ダイボンダ８の温度を下げることにより半田１６が凝固し、キャリア６と電子冷却器３とが固定される。このようにして、使用する半田１６の量を減少させることなく、溢れた半田塊１６ａの脱落を防止することが可能となる。また、キャリア６と電子冷却器３の固定作業及び半田塊１６ａの除去作業をパッケージ２の外で行うことができるため、ノズル１１が入らないような小さいパッケージ２を用いる場合でも、ノズル１１を用いて確実に半田塊１６ａを除去することができる。
【００２９】
このとき、ダイボンダ８が加熱を開始してから半田１６が融点に達するまでの時間、半田１６が溶融している温度であるピーク温度を保ち続ける時間及び半田１６を凝固させるのに必要な冷却時間を予め調査しておき、図１２に示すような実装温度プロファイルを作成する。ピーク温度時間が長すぎると半田１６の表面が酸化反応を起こしてしまうので、ピーク温度時間は、ノズル１１による除去作業に要する時間も考慮して１０秒から３０秒程度にすることが望ましい。
【００３０】
予め作成した実装温度プロファイルを基に、コレット９やノズル１１を移動させるタイミングやダイボンダ８を加熱及び冷却させるタイミング等を決定することにより、組み立て装置１００の全ての工程を自動化させることができる。これによって、凝固した半田塊１６ａを、組み立て後にピンセット等により除去する場合に比べ、作業効率及び作業精度を向上させることができる。また、半田１６を凝固させる前の段階で、組み立て作業と同一工程で半田塊１６ａを除去することができる。そのため、組み立て作業後に一度凝固した半田塊１６ａを再び溶融させて吸引除去する場合に比べ、作業効率を向上させることができると共に、半田塊１６ａの再溶融によるキャリア６のずれが引き起こされることなく、確実な除去作業を行うことができる。
【００３１】
キャリア６と電子冷却器３を固定した後、図１３に示すように、パッケージ２をダイボンダ８に設置し、半田１８を介してパッケージ２の実装板２ｄ上に電子冷却器３を載置する。そして、ダイボンダ８により加熱及び冷却し、パッケージ２と電子冷却器３とを半田１８によって固定する。また、このとき用いる半田１８は、キャリア６と電子冷却器３とを接合するための半田１７よりも融点の低いものを用いることが好ましい。
【００３２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記のノズル１１に代えて、図１４に示すノズル２１を用いてもよい。
【００３３】
ノズル２１の先端部２１ａには、ブレード２１ｂ及びブレード２１ｃが対向して設けられており、ブレード２１ｂ，２１ｃ間の領域が半田を側方から吸引するための吸引部２１ｄを形成している。ブレード２１ｂ，２１ｃの一端側は、互いに対向する側（内側）にハの字状に曲がっており、ブレード２１ｂ，２１ｃ間の間隔が狭くなっている。このようなノズル２１により半田塊１６ａを吸い取る場合は、図１４（ｂ）に示すように、ブレード２１ｂ，２１ｃの広がっている側に対してノズル２１を移動させることにより、ブレード２１ｂ，２１ｃと接触した半田塊１６ａが、毛細管力（毛細現象）によって吸引部２１ｄへ入り込み、吸引穴２１ｅに吸い取られることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る組み立て方法及び組み立て装置の一実施形態によって組み立てられる半導体レーザモジュールの外観を示す斜視図である。
【図２】図１に示す半導体レーザモジュールの内部構造を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る組み立て装置の一実施形態を示す平面図である。
【図４】図３に示す組み立て装置の側面図である。
【図５】ノズルの先端部を示す図であり、（ａ）に斜視図を示し、（ｂ）に側面図を示し、（ｃ）に正面図を示す。
【図６】ノズルが半田を吸引する様子を示す正面図である。
【図７】ダイボンダに電子冷却器を載置した状態を示す概略図である。
【図８】電子冷却器上に半田を介して、キャリアを載置する様子を示す概略図である。
【図９】電子冷却器とキャリアとの境界部から半田が溢れ出る状態を示す概略図である。
【図１０】ノズルにより半田塊を除去する方法を示す概略図である。
【図１１】電子冷却器（キャリア）に対するノズルの先端位置を示す概略図である。
【図１２】ダイボンダの温度と電子冷却器の上面の温度との関係を示すグラフである。
【図１３】パッケージと電子冷却器とを半田により固定した状態を示す概略図である。
【図１４】ノズルの変形例を示す図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は半田を吸引する様子を示す正面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…半導体レーザモジュール、２…パッケージ、３…電子冷却器、４…半導体素子、６…キャリア、６ａ…裏面、８…ダイボンダ（加熱手段）、９…コレット（位置決め手段）、１１，２１…ノズル、１１ａ，２１ａ…先端部、１１ｂ，２１ｄ…吸引部、１２，１３…駆動部（駆動手段）、１６…半田、１７…境界部、２１ｂ,２１ｃ…ブレード。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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